四月初，倭军与帝国方面的晋军，防卫军，联合军不约而同地在晋省完成集结，一场决定帝国北方战场的战役即将拉开序幕。
为了占领太原府，倭军第五师团于四月三日由大营镇出发，六日在代县集结。
混成第2、第15旅于四月一日由代县沿公路分别向崞县、原平进攻。
此时，晋军第19师在师长王云峰的率领下凭借有利地形，对倭军的进攻奋力抗击，迟滞了敌军的行动，并为主力部队集中布防赢得了时间。
四月五日，帝国军第四集团军第九军到达忻州，占领忻州附近之南怀化一带阵地。
四月六日，淳亲王博涵下达对倭军出击的命令。
四月十日，第四集团军主力到达忻州，占领忻州东西一线阵地。
四月十一日，帝国忻州前线部队已全部进入指定位置，占领了阵地。
秦牧作出进一步的调整部署：将防卫军担任的25至30公里的正面防线再划分为三个作战地区，将中央战线的防卫军第二集团军分为三个集群，分别防守三个作战地区。
并令朱民率第一集团军的预备队加入第二集团军作战，仍由第二集团军司令徐棠任总指挥，朱民任副总指挥。
4月12日，秦牧又令第二集团军总司令朱民率第5军及第6军之第2、第3师等部开赴忻州一带，协助帝国军第四集团军作战。
帝国军第四集团军总司令伦亲王彝庵将先后到达忻州地区的部队区分为三个集群：
以第5军军长胡家鑫指挥第15、第17军为右翼集群。
以第9军军长安远山指挥第19、第35、第26师、第9军为中央集群。
以第4军军长李晓平指挥第14军及第十五、第十六、第十七师为左翼集群。
各部队由徐棠统一指挥，在12日前展于忻州以北龙王堂、南怀化、大白水、南峪之线，准备与倭寇决战。
倭军在4月8～11日占领崞县、原平后，企图一举攻占忻州，直趋太原府。
10日，其第5师团从代县向忻州前进。12日，倭军各部队集结于原平附近。
乃木中将将混成第15旅团等部编为右翼队，第5师团为左翼队，于13日开始向忻州阵地攻击。
因两翼有五台山和云中山相阻，倭军集中近两万人兵力，在飞机三十余架、坦克一百余辆、炮三百余门掩护下，采取中间突破的战法，向中央集群第9军第45师之南怀化阵地及左翼集群之阎庄阵地发起猛攻。
战至10时许，南怀化沿河工事被毁，守军伤亡殆尽，倭军乘机渡河，突破南怀化阵地。
安远山即以第19师和第26师两个团增援堵击，徐棠派第14军之第10师及第16军新编第4旅协力夹击突入之敌。
激战终日，毙伤倭军五千余人，击毁坦克五十辆，恢复南怀化东南高地。
向阎庄进攻之敌，至黄昏时，增加到五千余人，突破守军前沿阵地。
4月13日夜，徐棠组织部队向日军实施反击，企图围歼突入之敌。
14日2时，反击开始后，中央集群之第35师第218旅向南怀化以北之弓家庄倭军反击。
倭军两千余人则向第9军第45师之第161旅下王庄阵地攻击。
第218旅以一部增援第161旅，另一部在旅长的率领下继续向弓家庄倭军反击，7时攻克弓家庄。
8时，倭军两余人，坦克三十辆在飞机二十架、炮五十余门的掩护下，向下王庄至弓家庄一线反扑。
守军连续打退敌人四次冲锋，218旅旅长身受重伤，仍率部将倭军击溃。
在中央集群对南怀化附近倭军开始攻击之际，倭军亦增兵向南怀化反扑，战斗甚为激烈。
经一日激战，南怀化阵地又为倭军占领。右翼集群经一日激战，于20日将当面倭军压迫于滹沱河东岸至灵山脚下一带。
左翼集群于拂晓攻占旧练庄，遇倭军增援部队反扑，激战终日，成对峙状态。
4月14日20时许，徐棠亲率独立第5旅至忻州督战，将指挥关系作了调整：由第16军军长陈章指挥第21师、独立第2、第3旅及新编第4旅，负责肃清南怀化之敌。
由指挥第45师附第217、第218旅及独立第3旅之第4团等部，担任忻州——正面守备及向当面之敌反击。
4月15日，忻州正面守军向中泥河、东泥河之敌反击，曾一度攻占中泥河，但在倭军增援到达后，被迫撤回。
攻占南怀化之倭军，自拂晓起，继续向帝国军阵地攻击，情势极为严重。左、右翼集群经一日激战，仍与倭军处于对峙状态。
徐棠鉴于南怀化为全线锁钥，关系忻州战役的全局，遂决定集中第21师、独立第2、第5旅及新编第4旅等部共5个旅的兵力，歼灭南怀化倭军。
并以帝国军第18师由秦家庄、旧练庄向前后城头行动，夹击该敌。限于16日零时前后开始攻击。
龙百川得知当面之敌增加，恐帝国军第四集团军兵力不足，遂致电防卫军第一集团军司令朱民，希望起指挥防卫军截断敌后交通，以阻敌续增。
并即派晋军第7师及第1师之第2旅等部，迅速轻装赴忻州，归朱民指挥。
4月16日2时，南怀化阵地反击战正式展开。
第218旅由弓家庄向南怀化敌侧背攻击，7时攻占旧河北，9时占领南怀化北端河岸。
是时，倭军飞机二十余架，协助其地面部队一再反扑，终被击退。
安远山率部向占领南怀化之敌奋勇反击，阵地得而复失、失而复得，战斗异常激烈。经昼夜激战，占据南怀化以南之倭军，大部被歼。
此战，双方军队均伤亡近万人。
帝国军第9军军长安远山中将、第45师师长刘志华少将、独立第5旅旅长郑炜少将等，均壮烈殉国。
连日鏖战，部队伤亡惨重，系统除派陈章统一指挥中央集群各部队继续作战外，并电呈秦牧，请求迅筹援军。
秦牧即派第三集团军之第十四军由潼关一带兼程驰援。阎锡山也急令晋军第4师及第7师之第529旅由五台山之耿镇、龙泉关一带星夜赶赴兰台镇、二十里铺间，归徐棠指挥。